Sinterabilidad y propiedades del acero pulvimetalúrgico HCx diluido con aceros inoxidables E. Gordo*, N. Khattab* y J.M. Torralba* Resumen
El acero pulvimetalúrgico HCx ha sido desarrollado para combinar la resistencia a corrosión de los aceros inoxidables con la resistencia al desgaste de los aceros de herramientas. Aparece así como un material adecuado para componentes sometidos a desgaste en un ambiente agresivo, como los asientos de válvulas en motores de automóviles. En este trabajo se estudia la dilución del HCx con dos aceros inoxidables, uno ferrítico (430) y otro austenítico (316L), en porcentajes hasta 15 % en masa, para mejorar las condiciones de procesado, especialmente la compresibilidad. La sinterabilidad de los materiales diluidos se ha estudiado mediante sinterización en vacío, a temperaturas entre 1.200 °C y 1.260 °C, y se han determinado las propiedades de los materiales sinterizados. Los resultados se discuten en relación a la evolución microestructural.
Palabras clave
Pulvimetalurgia. Dilución. Aceros inoxidables. Desgaste. Carburos.
Sinterability and properties of HCx PM steel diluted with stainless steels Abstract
HCx is a powder metallurgy steel developed to combine the corrosion resistance of stainless steel with the wear resistance of tool steels. Therefore, HCx appears to be a suitable material for wear applications in aggressive environments, as valve seat inserts in automotive engines. In this work dilution of HCx with two stainless steels, one ferritic (430) and another austenitic (316L), in percentages up to 15 % in mass, has been studied to improve process conditions, especially compressibility. The sinterability of diluted materials was studied through vacuum sintering at temperatures from 1.200 °C to 1.260 °C. Finally, properties of sintered materials were determined. The results are discussed in relation to the microstructure evolution.
Keywords
Powder metallurgy. Dilution. Stainless steels. Wear. Carbides.
1. INTRODUCCIÓN Recientemente, se ha desarrollado un nuevo tipo de acero pulvimetalúrgico de alta aleación, denominado por el fabricante HCx, en cuya composición se encuentran elevados porcentajes de cromo y carbono, junto con elementos de aleación carburígenos. Su microestructura después de la sinterización consiste en una matriz inoxidable ferrítica con carburos dispersos de cromo y otros elementos. Este acero combina de manera satisfactoria propiedades de resistencia al desgaste, por la presencia de carburos, con resistencia a corrosión, por el porcentaje de cromo que permanece en la matriz^^l Por lo tanto, parece un material adecuado para aplicaciones que requieran ambos grupos de pro-
piedades^ \ Sin embargo, su baja compresibilidad y su elevado precio pueden limitar su utilización. Algunos autores^ ' ^ han realizado investigaciones en las que polvos de acero de baja compresibilidad son mezclados o "diluidos" con otros de mayor compresibilidad, buscando mejorar esta propiedad junto con propiedades mecánicas y de desgaste adecuadas. La dilución tiene la ventaja, además, de abaratar el coste del material final. El presente trabajo muestra algunos resultados de un estudio realizado mediante dilución del acero HCx con cantidades variables de dos tipos de acero inoxidable, uno ferrítico (430), por su compatibilidad con la matriz del HCx, y otro austenítico (316L). El interés de la dilución con 316 L radica en el estudio posterior de la influencia de la
(*) Departamento de Ciencia de Materiales, Universidad Carlos III de Madrid, Avda. de la Universidad, 30, E-28911 Leganés
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Rev, Metal Madrid Vol. Extn (2005)
95A00
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Sinterabilidad y propiedades del acero pulvimetalúrgico HCx diluido con aceros inoxidables E. GORDO, N . KHATTAB Y J . M . TORRALBA
5.000 m. Se utilizaron además dos temperaturas de ensayo: temperatura ambiente y 400 °C, y se repitieron tres veces para cada material. El estudio se completó mediante análisis microestructural por microscopía óptica y electrónica de barrido.
austenita sobre las propiedades de desgaste, ya que su efecto no está claramente definido^ I 2. MATERIALES Y PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Los materiales utilizados en el presente estudio han sido: como material base, polvo de HCx, proporcionado por Powdrex; (Hoganás Great Britain ltd.); como materiales de dilución, polvo de aceros inoxidables 316L y 430 LHC, proporcionados por Coldstream (Hôganâs Belgium S.A.)- La composición de estos polvos, según datos de los fabricantes, se recogen en la tabla I. Las mezclas estudiadas fueron HCx + 5 %, 10 %, 15 % 430 y HCx + 5 %, 10 %, 15 % 316 L (porcentajes en masa). Las mezclas se prepararon en una Túrbula a una velocidad de 100 rpm, durante 60 min, y la compresibilidad de las mismas fue evaluada a partir de los valores de densidad en verde de cada mezcla. Para estudiar las condiciones de sinterización de los distintos materiales se fabricaron, mediante compactación uniaxial a 700 MPa de presión, probetas rectangulares con las dimensiones normalizadas para ensayos de flexión. Los compactos fueron sinterizados en vacío a cuatro temperaturas diferentes: 1,200 °C, 1.220 °C, 1.240 °C, y 1.260 °C, fijando en todos los casos el tiempo de sinterización en 30 min. Las propiedades estudiadas después de la sinterización fueron: densidad, variación dimensional, dureza, resistencia a flexión y comportamiento a desgaste. La densidad se determinó mediante un método basado en el principio de Arquímedes, la dureza se midió en la escala Rockwell A; la resistencia a flexión (TRS) se evaluó mediante ensayos de flexión en tres puntos; los ensayos de desgaste se realizaron en un equipo pin-on-'disCy utilizando como pin el material a ensayar, y los discos extraídos de las cabezas de válvulas comerciales (acero de 73HRA). Las condiciones de los ensayos de desgaste fueron ION de carga, velocidad de giro 480 rpm, velocidad de deslizamiento 0,5 m/s, y distancia de deslizamiento
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Al igual que en estudios previos realizados con otros porcentajes de dilución^ % en este caso, la compresibilidad de los materiales diluidos, como se puede ver en la figura 1, mejora con respecto al material base, lo que supone la base de partida para el estudio de sinterabilidad que se expone a continuación. En la figura 2 se muestran los valores de densidad relativa alcanzados por los materiales en función de la temperatura de sinterización. El material base alcanza una densidad elevada (97 % de la teórica) cuando se sinteriza a 1.260 °C, pero ya a 1.240 °C se obtiene el 85 % de la teórica. Todos los materiales alcanzan los mismos valores de densidad que el material base a 1.260 °C. Se observa además que los valores de densidad de los materiales con 1 0 % y l 5 % d e dilución son constantes
430 U#-HCx2 -^-5%
550
600
650
~A—10% -«-ISyo 316
700 550 600 presión de compactación [l\/IPa]
650
700
Figura 1. Compresibilidad del HCx y los materiales diluidos. Figure 1. Compressibility moterials.
curves of the HCx ond
diluted
Tabla I. Composición de los materiales empleados Table i Composition of the used materials Fe
Cr
W
HCx
Resto
1,6
22,6
2,7
316L
Resto
0,021
16,1
-
430LHC
Resto
0,018
16,85
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Si
Mo 2,8
1,9
Ni
Cu
13,55
0,02
Mn
1,4
2,24
0,87
-
1,15
0,18
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100 r^
-•—HCx2 -•-5%430 -â—10%430 "15%430
95
m 90 > «3 85
70 _ 65 4 - 1 60 È 55 ¿50 S 45 4 - h 40 ^35 30
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